李 勇，周 鹏，李鸿标，刘志平，孙国宁

（中信戴卡股份有限公司，秦皇岛066011）

0 前言

铝合金车轮具有重量轻、散热好、精度高、综合力学性能优异以及良好的视觉效果等诸多优点，逐步取代钢制车轮，占据了车轮市场的主导位置[1]。铝合金车轮的成型方法较多，主要有重力铸造成型、低压铸造成型、锻造成型、铸造-旋压成型、消失模铸造成型以及挤压铸造成型。低压铸造法具有工艺成熟、生产效率高、综合成本较低、铸件质量好等优点，目前低压铸造已成为铝合金车轮生产的主要工艺方法[2]。

在低压铸造生产中，模具对生产的稳定和铸件的质量起到非常重要的作用。模具在使用过程中由于受到周期性冷热温度场的影响，会发生热变形。根据测量发现，底模中心部分向上拱起的变形十分明显，而模具变形会对模具的配合、铸件飞边以及铸件的尺寸产生较大影响。因此，研究并掌握模具的热变形规律，在模具设计方面进行优化，对改善模具变形、保证铸件尺寸等方面具有重大意义。

1 模具变形模拟分析

1.1 ANSYS软件

ANSYS前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地构造有限元模型[3]。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分。分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出[4-5]。

1.2 底模的热变形分析

以某工厂生产的一款低压铸造铝合金车轮为例，导入其模具3D模型，输入在生产过程中的温度参数及边界条件（A.180°对称面约束；B.顶模和底模轴向上（Z方向）位移约束；C.边模45°交界线固定约束），所形成的3D示意图见图1。

图1 模具3D模型示意图

从图2的模拟结果来看，底模在Z轴方向上发生了向上凸起的变形，而在径向方向上（XY平面上）有向外变形的趋势。

图2 模具热变形示意图

2 模具变形检测

为了在实际生产中去验证模具变形的规律，在模具正常使用后，受到冷热温度场变化影响，模具尺寸会发生轻微变化。通过采用特殊的检测模具变形的工具来进行测量和分析模具尺寸的变化规律，为我们后续做针对性改善提供重要依据。

图3是低压铸造模具底模示意图，主要是底模和底板两部分。模具在日常使用过程中在中心和边缘部分，即螺栓柱（1）和外轮缘部分；（2）变形较为突出；（3）为底板的外侧，测量工具需放在底板（3）上进行测量。

图3 低压铸造模具底模示意图

为了准确测量模具的变形量，自主研发、设计和制作了一种测量底模工具，如图4所示。该工具设计结构合理，在测量时无需拆卸底板，操作相对简单，对底模各个部位的尺寸可以进行准确测量，对不同大小的模具均可以掌握其变形规律。该工具结合了游标卡尺和深度尺的优点，深度尺可以向游标卡尺一样自由移动，可测量模具任意位置。通过设计底座将该测量装置水平放置在底板上，不需要对模具进行分解和拆卸。底座设计为一端固定，一端可水平移动，这样设计的目的是可以平稳地将该测量装置放置在不同大小的模具上，对不同大小模具均可以进行准确测量。

图4 测量底模变形专用工具示意图

以某一款模具为例，将专用工具放置在模具上方，对模具底模中心部位进行了实际测量，如图5所示。具体测量数据如表1所示。

图5 测量底模尺寸示意图

表1 模具尺寸实测结果

从表1的实测结果来看，模具中心部位的变形量较明显，最大变形量为1.2mm，对毛坯尺寸影响较大。实测变形趋势也与模拟结果相符合，因此在实际生产过程中对于解决模具的变形和保证毛坯的尺寸显示十分关键。

3 模具变形改善方案

针对上述模拟和实测的模具变形结果，模具在轴向方向上变形较明显，为了改善模具的热变形和保证毛坯的尺寸精度，在底模中心部位设计了5个防变形装置。该装置包含螺栓孔和凸台，主要是通过此把合螺栓与底板连接，如图6所示。利用底板和底模之间的螺栓把合力来减弱模具受热后的内应力，抑制模具受热中心部分向上拱起变形的趋势，大大降低了模具的变形量，从而提高了模具和压铸件的尺寸精度，保证模具的正常生产使用。

图6 防变形底模与底板配合示意图

4 改善方案验证

对新方案设计的模具进行了生产验证，并通过上述专用测量工具对模具底模中心部位进行了实际测量，具体测量数据如表2所示。可以看出模具中心向上的变形量大大减少，跟原始的模具造型相比，变形量减少了1mm左右，大大提高了毛坯的尺寸精度。

表2 改进后模具尺寸实测结果

5 结语

铝车轮低压铸造模具在受到周期性激冷激热的作用下产生拉、压交变应力，中心部分向上拱起的变形十分明显。通过模拟分析和实际测量验证了模具的变形规律，并针对这种热变形采取了特殊设计，通过增加底板和底模的把合力，降低了模具的内应力和随之产生的微观变形，从而大大改善了模具变形的问题，保证了毛坯的尺寸精度及模具的正常使用。